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1. Contesto e settore industriale

I rapidi progressi tecnologici e la crescente domanda di prodotti intelligenti ad alta efficienza hanno ulteriormente consolidato l'industria dei circuiti integrati (IC) come pilastro strategico dello sviluppo nazionale. In quanto fondamento dell'ecosistema IC, il silicio monocristallino di grado semiconduttore è fondamentale sia per l'innovazione tecnologica che per la crescita economica.

Secondo la International Semiconductor Industry Association, il mercato globale dei wafer di silicio ha registrato $12,6 miliardi di vendite, con spedizioni che hanno raggiunto 14,2 miliardi di pollici quadrati. La domanda continua ad aumentare costantemente.

Il settore è altamente concentrato: i primi cinque fornitori rappresentano oltre l'85% della quota di mercato globale—Shin-Etsu Chemical (Giappone), SUMCO (Giappone), GlobalWafers, Siltronic (Germania), e SK Siltron (Corea del Sud)—il che sottolinea la forte dipendenza della Cina dai wafer di silicio monocristallino importati. Questa dipendenza è un collo di bottiglia chiave che limita lo sviluppo degli IC del paese. È quindi imperativo rafforzare la ricerca e lo sviluppo e la capacità produttiva nazionali.

2. Silicio monocristallino: panoramica del materiale

Il silicio monocristallino è alla base della microelettronica moderna; oltre il 90% dei chip IC e dei dispositivi elettronici sono fabbricati su silicio. Il suo dominio deriva da diversi attributi:

• Abbondanza e sicurezza ambientale: Il silicio è abbondante nella crosta terrestre, non tossico e rispettoso dell'ambiente.

• Isolamento elettrico e ossido nativo: Il silicio fornisce naturalmente isolamento elettrico; tramite ossidazione termica forma SiO₂, un dielettrico di alta qualità che previene la perdita di carica.

• Infrastruttura di produzione matura: Decenni di sviluppo dei processi hanno prodotto un ecosistema di crescita e fabbricazione di wafer profondamente raffinato e scalabile.

Strutturalmente, il silicio monocristallino è un reticolo continuo e periodico di atomi di silicio—il substrato essenziale per la fabbricazione di chip.

Flusso di processo (alto livello): Il minerale di silicio viene raffinato per produrre silicio policristallino, che viene poi fuso e fatto crescere in un lingotto monocristallino in un forno di crescita cristallina. Il lingotto viene affettato, lappato, lucidato e pulito per produrre wafer per la lavorazione dei semiconduttori.

Classi di wafer:

• Grado semiconduttore: Purezza ultra-elevata (fino a 99,999999999%, “11 nove”) e rigorosamente monocristallino, con requisiti rigorosi sulla qualità del cristallo e sulla pulizia della superficie.

• Grado fotovoltaico: Purezza inferiore (99,99%–99,9999%) e specifiche meno esigenti sulla qualità del cristallo e sulla superficie.

I wafer di grado semiconduttore richiedono anche planarità, levigatezza della superficie e pulizia superiori, aumentando sia la complessità del processo che il valore dell'uso finale.

Evoluzione del diametro ed economia: Gli standard del settore sono passati da 4 pollici (100 mm) e 6 pollici (150 mm) a 8 pollici (200 mm) e 12 pollici (300 mm) wafer. Diametri maggiori offrono più area utile per processo, migliorando l'efficienza dei costi e riducendo le perdite ai bordi—un'evoluzione guidata dalla legge di Moore e dall'economia di produzione. In pratica, le dimensioni dei wafer corrispondono all'applicazione e al costo: ad esempio, la memoria utilizza comunemente 300 mm, mentre molti dispositivi di alimentazione rimangono su 200 mm.

Attraverso processi precisi—fotolitografia, impianto ionico, incisione, deposizione e trattamenti termici—i wafer di silicio consentono un'ampia gamma di dispositivi: raddrizzatori ad alta potenza, MOSFET, BJT e componenti di commutazione che alimentano l'IA, il 5G, l'elettronica automobilistica, l'IoT e l'aerospaziale—motori principali della crescita economica e dell'innovazione.

3. Tecnologia di crescita del silicio monocristallino

Il metodo Czochralski (CZ)

Proposto da Jan Czochralski nel 1917, il metodo CZ (estrazione del cristallo) produce in modo efficiente cristalli singoli grandi e di alta qualità dalla fusione. Oggi è l'approccio dominante per il silicio: circa 98% dei componenti elettronici sono a base di silicio e ~85% di questi si basano su CZ-grown wafer. CZ è favorito per la sua qualità del cristallo, il diametro controllabile, le velocità di crescita relativamente elevate e l'elevata produttività.

Principio ed equipaggiamento: Il processo CZ opera ad alta temperatura in condizioni di vuoto/inerzia all'interno di un forno di crescita cristallina. Il silicio policristallino viene caricato in un crogiolo e fuso. Un cristallo seme entra in contatto con la superficie fusa; controllando con precisione la temperatura, la velocità di estrazione e la rotazione sia del seme che del crogiolo, gli atomi all'interfaccia fuso-solido si solidificano in un singolo cristallo con l'orientamento e il diametro desiderati.

Fasi tipiche del processo:

1. Preparazione e caricamento degli utensili: Smontare, pulire e ricaricare il forno; rimuovere i contaminanti da quarzo, grafite e altri componenti.

2. Pompare, riempire e fondere: Evacuare sotto vuoto, introdurre argon e riscaldare per fondere completamente la carica di silicio.

3. Inseminazione e crescita iniziale: Abbassare il seme nella fusione e stabilire un'interfaccia solido-liquido stabile.

4. Spallamento e controllo del diametro: Espandere al diametro desiderato e mantenere uno stretto controllo tramite il feedback della temperatura e della velocità di estrazione.

5. Estrazione costante: Mantenere una crescita uniforme al diametro impostato.

6. Terminazione e raffreddamento: Completare il cristallo, spegnere e scaricare il lingotto.

Eseguito correttamente, il metodo CZ produce silicio monocristallino a grande diametro e a basso difetto, adatto per la produzione avanzata di semiconduttori.

4. Sfide e direzioni della produzione

La scalatura a diametri maggiori preservando la perfezione del cristallo pone sfide significative, in particolare nella previsione e controllo dei difetti:

• Variabilità della qualità e perdita di resa: All'aumentare del diametro, i campi termici, di flusso e magnetici all'interno del forno diventano più complessi. La gestione di questi effetti multifisici accoppiati è difficile, portando a incoerenze nella qualità del cristallo e a rese inferiori.

• Limitazioni del sistema di controllo: Le strategie attuali enfatizzano i parametri macroscopici (ad esempio, diametro, velocità di estrazione). Il controllo dei difetti su piccola scala dipende ancora fortemente dall'esperienza umana, che è sempre più inadeguata per i requisiti IC su micro/nano scala.